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摘 要：弯头支座是机舱内关键部件之一，也是整个直驱风机系统中受力状态最复杂的零部件之一。通过分析风力发电机组在重力、离心力、风压力及其组合作用时机舱弯头支座的承载状态，可以轻松求出最极端的受力。文中使用Samcef进行载荷计算，使用Ansys进行强度分析，系统明确的对风力发电机组弯头支座进行了验证，经过多次验证得出最优结构，取得了良好的效果。
关键词：直驱风机；弯头支座；力学分析
Strength Analysis of MW Wind Turbine Elbow Support
ZHAO Haibo
（Hebei United University.Tangshan063000，China）
Abstract： Elbow support is one of the key components in the cabin， one of the parts is the direct wind system in the most complicated state of stress. Through the analysis of bearing state of wind turbine cabin in the gravity， centrifugal force， wind pressure and combined effect of elbow support， you can easily find the most extreme stress. This paper uses Samcef to load calculation， using ANSYS for strength analysis， system of wind turbine elbow support is verified， after repeatedly verified the optimal structure， and achieved good results.
Keywords： Direct drive wind turbine； Elbow suppor； Mechanical analysis
铸造弯头支座作为直驱风机连接发电机和塔筒的主要承载件，承受复杂的交变载荷[1]，其承载功能，力学性能要求较高。所以设计时需要综合考虑到弯头支座的功能和力学要求，因此如何设计一个安全可靠的弯头支座，对整个风力发电机组来说极其重要。
设计中使用Solid works建立弯头支座的三维模型，通过Samcef Wind Turbines软件在计算机上模拟出风力机在各种设计工况下弯头支座的承载状态，进而筛选出载荷计算报告中的极限值，以此作为极端载荷值， 再通过Ansys 强大的分析功能，对直驱风力发电机的铸造弯头支座进行有限元分析，确定其静强度和动态特性是否满足要求，如果不合适则反复修改验证，最终得到最优结构外形[2]。通过此方法缩短了设计周期，降低了设计费用，对弯头支座的设计和风电机组部件的系统开发来说意义重大.
1.受力分析
风力发电机弯头支座受力简图如图1所示，其主要受力为风轮所承受的推力，还包括附加产生的弯矩、电机扭矩、前端部件重力以及其附加力矩等。所以其所受载荷较为复杂，实际设计要求较高，当然为了保证设计更加准确，载荷计算不使用工程经验公式计算，而是直接使用专业的载荷分析软件。
图1 风力发电机组整体受力图
Fig.1 Wind power generation unit by trying to whole
2.载荷计算
专业软件基于动力学模型进行动态模拟来计算获得风机承受的载荷。多数情况下，风机组件中发生临界应力或应变的位置处往往同时受多轴载荷。在这种情况下，模拟输出的正交载荷的时间序列有时可用作设计载荷。
首先进行使用Samcef Wind Turbines进行极限载荷计算，弯头支座的极端状态使用暴风载荷，根据二类风场参考风速计算暴风风速为59.5m/s，风剪切忽略即切变系数为0，叶片可以顺利顺桨，最终使风机完成停机过程。此过程所受载荷包含支座所受的最大瞬态力。而强度的校核以此极端载荷进行计算。
弯头暴风工况分析结果：
根据以上10min的载荷仿真模拟，从图2-7可以看出风力发电机组弯头支座电机定子连接面上所受的力和弯矩的大小，综合对其载荷数据表进行分析处理，从中提取各方向的最大受力来组成用于强度计算的极端载荷数据组，此数据虽然过于保守但是对于风电机组来说是合理的。处理数据结果如表1所示。
3.有限元分析
弯头支座使用材料为QT350-22AL，抗拉强度350MPa，屈服强度220MPa，伸长率大于等于百分之22，布氏硬度HBW小于等于160，主要基体组织为铁素铁，剪切和扭转为315MPa，弹性模量E=169GPa，泊松比=0.275，密度7.1g/cm3。
由于在Ansys上加载弯矩和扭矩较为复杂，所以设置一个理想的载荷施加点，文中使用MPC184单元与实体上部端面刚性连接来进行加载，由于MPC184具有六自由度，可以均匀加载弯矩转矩等载荷，所以此处用MPC184单元定义受力点。
弯头使用Solid185单元，其用于构造三维固体结构.单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度.单元具有超弹性，应力钢化，蠕变，大变形和大应变能力.还可采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑材料和完全不可压缩超弹性材料[3]。
3.1.网格划分
网格划分的基本原划：网格数的多少将影响到计算结果的准确与否。网格数量越高，计算精度会有越高，但计算花费时间和规模也会相应增加。载荷变化梯度较大的部位（如应力集中处），为了较好地反映结果变化规律，要采用密集的网格划分。但是此结构外形尺寸巨大，所以网格划分使用自动划分，模型网格大小设置为6，从图8中可以看出网格的划分较为简单均匀。 图8 网格分布图
Fig.8 grid pattern
3.2.极端状态下应力应变分析
图9 风力发电机应力图
Fig.9wind turbine stress diagram
在刚性单元上加载极端载荷后进行求解，得出结果如图9所示，从图中可以看出最大应力为230MPa，出现在弯头去除部分弯曲处，所以可知弯头支座符合要求，已知其材质为QT350，所以抗拉屈服强度达到350MPa，所以安全系数达到1.52，所以实际的运行中应该是可靠的，即在极端状态下其安全系数任然绰绰有余。
图10 风力发电机应力图
Fig.10wind turbine strain figure
从图10中可以看出应变很小，主要发生在弯头支座顶部上端，所以可知与实际情况是一致的，但是其大小基本可以忽略不计，所以变形的影响基本是没有的。
综合以上可知，风力发电机弯头支座的主要承载受力区域在支座的前底部与偏航连接处，另外还包括顶部区域，后段受力基本很小，所以优化中要加以考虑，进行加厚和减薄。
4.结束语
使用专业的软件和方法进行风力发电机组的部件设计可以取得良好的效果，弯头支座是较为关键的承载部件，文中使用Samcef和Ansys软件对弯头支座进行了载荷和强度分析，在准确性和系统性上有很大的提升，所以通过综合运用多种方法能设计出更为合理的结构。
参考文献
[1]European Wind Energy Association， Wind Energy—the Facts： A Guide to the Technology. Economics and Future of WindPower[M]. New York： Earthscan， 2009.
[2]苒晓明， 柳亦兵， 马志勇. 风力发电机组设计[M]. 北京： 机械工业出版社， 2010：52-77.
[3]李援， 毛竹. 风力发电机组载荷计算中的极端风况分析[J]. 沈阳工业大学学报， 2008， 4
作者简介：
赵海波（1975.11- ）男，汉 ，籍贯：河北乐亭，学历：大学本科 职称：工程师，研究方向：机械设计与制造
关键词：直驱风机；弯头支座；力学分析
Strength Analysis of MW Wind Turbine Elbow Support
ZHAO Haibo
（Hebei United University.Tangshan063000，China）
Abstract： Elbow support is one of the key components in the cabin， one of the parts is the direct wind system in the most complicated state of stress. Through the analysis of bearing state of wind turbine cabin in the gravity， centrifugal force， wind pressure and combined effect of elbow support， you can easily find the most extreme stress. This paper uses Samcef to load calculation， using ANSYS for strength analysis， system of wind turbine elbow support is verified， after repeatedly verified the optimal structure， and achieved good results.
Keywords： Direct drive wind turbine； Elbow suppor； Mechanical analysis
铸造弯头支座作为直驱风机连接发电机和塔筒的主要承载件，承受复杂的交变载荷[1]，其承载功能，力学性能要求较高。所以设计时需要综合考虑到弯头支座的功能和力学要求，因此如何设计一个安全可靠的弯头支座，对整个风力发电机组来说极其重要。
设计中使用Solid works建立弯头支座的三维模型，通过Samcef Wind Turbines软件在计算机上模拟出风力机在各种设计工况下弯头支座的承载状态，进而筛选出载荷计算报告中的极限值，以此作为极端载荷值， 再通过Ansys 强大的分析功能，对直驱风力发电机的铸造弯头支座进行有限元分析，确定其静强度和动态特性是否满足要求，如果不合适则反复修改验证，最终得到最优结构外形[2]。通过此方法缩短了设计周期，降低了设计费用，对弯头支座的设计和风电机组部件的系统开发来说意义重大.
1.受力分析
风力发电机弯头支座受力简图如图1所示，其主要受力为风轮所承受的推力，还包括附加产生的弯矩、电机扭矩、前端部件重力以及其附加力矩等。所以其所受载荷较为复杂，实际设计要求较高，当然为了保证设计更加准确，载荷计算不使用工程经验公式计算，而是直接使用专业的载荷分析软件。
图1 风力发电机组整体受力图
Fig.1 Wind power generation unit by trying to whole
2.载荷计算
专业软件基于动力学模型进行动态模拟来计算获得风机承受的载荷。多数情况下，风机组件中发生临界应力或应变的位置处往往同时受多轴载荷。在这种情况下，模拟输出的正交载荷的时间序列有时可用作设计载荷。
首先进行使用Samcef Wind Turbines进行极限载荷计算，弯头支座的极端状态使用暴风载荷，根据二类风场参考风速计算暴风风速为59.5m/s，风剪切忽略即切变系数为0，叶片可以顺利顺桨，最终使风机完成停机过程。此过程所受载荷包含支座所受的最大瞬态力。而强度的校核以此极端载荷进行计算。
弯头暴风工况分析结果：
根据以上10min的载荷仿真模拟，从图2-7可以看出风力发电机组弯头支座电机定子连接面上所受的力和弯矩的大小，综合对其载荷数据表进行分析处理，从中提取各方向的最大受力来组成用于强度计算的极端载荷数据组，此数据虽然过于保守但是对于风电机组来说是合理的。处理数据结果如表1所示。
3.有限元分析
弯头支座使用材料为QT350-22AL，抗拉强度350MPa，屈服强度220MPa，伸长率大于等于百分之22，布氏硬度HBW小于等于160，主要基体组织为铁素铁，剪切和扭转为315MPa，弹性模量E=169GPa，泊松比=0.275，密度7.1g/cm3。
由于在Ansys上加载弯矩和扭矩较为复杂，所以设置一个理想的载荷施加点，文中使用MPC184单元与实体上部端面刚性连接来进行加载，由于MPC184具有六自由度，可以均匀加载弯矩转矩等载荷，所以此处用MPC184单元定义受力点。
弯头使用Solid185单元，其用于构造三维固体结构.单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度.单元具有超弹性，应力钢化，蠕变，大变形和大应变能力.还可采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑材料和完全不可压缩超弹性材料[3]。
3.1.网格划分
网格划分的基本原划：网格数的多少将影响到计算结果的准确与否。网格数量越高，计算精度会有越高，但计算花费时间和规模也会相应增加。载荷变化梯度较大的部位（如应力集中处），为了较好地反映结果变化规律，要采用密集的网格划分。但是此结构外形尺寸巨大，所以网格划分使用自动划分，模型网格大小设置为6，从图8中可以看出网格的划分较为简单均匀。 图8 网格分布图
Fig.8 grid pattern
3.2.极端状态下应力应变分析
图9 风力发电机应力图
Fig.9wind turbine stress diagram
在刚性单元上加载极端载荷后进行求解，得出结果如图9所示，从图中可以看出最大应力为230MPa，出现在弯头去除部分弯曲处，所以可知弯头支座符合要求，已知其材质为QT350，所以抗拉屈服强度达到350MPa，所以安全系数达到1.52，所以实际的运行中应该是可靠的，即在极端状态下其安全系数任然绰绰有余。
图10 风力发电机应力图
Fig.10wind turbine strain figure
从图10中可以看出应变很小，主要发生在弯头支座顶部上端，所以可知与实际情况是一致的，但是其大小基本可以忽略不计，所以变形的影响基本是没有的。
综合以上可知，风力发电机弯头支座的主要承载受力区域在支座的前底部与偏航连接处，另外还包括顶部区域，后段受力基本很小，所以优化中要加以考虑，进行加厚和减薄。
4.结束语
使用专业的软件和方法进行风力发电机组的部件设计可以取得良好的效果，弯头支座是较为关键的承载部件，文中使用Samcef和Ansys软件对弯头支座进行了载荷和强度分析，在准确性和系统性上有很大的提升，所以通过综合运用多种方法能设计出更为合理的结构。
参考文献
[1]European Wind Energy Association， Wind Energy—the Facts： A Guide to the Technology. Economics and Future of WindPower[M]. New York： Earthscan， 2009.
[2]苒晓明， 柳亦兵， 马志勇. 风力发电机组设计[M]. 北京： 机械工业出版社， 2010：52-77.
[3]李援， 毛竹. 风力发电机组载荷计算中的极端风况分析[J]. 沈阳工业大学学报， 2008， 4
作者简介：
赵海波（1975.11- ）男，汉 ，籍贯：河北乐亭，学历：大学本科 职称：工程师，研究方向：机械设计与制造